按氧传感器原理可以分为氧化锆式和氧化钛式两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。按接线柱分类可以分为单线、双线、三线和四线氧传感器，多线式氧传感器是发展的趋势，如图2-58所示。

1.浓差型氧化锆式氧传感器的工作原理

浓差型氧传感器是基于固体电解质两边氧分压的差异而产生浓差电动势，浓差电动势大小与气体常数、工作温度等有关系。汽车浓差型氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管（固体电解质），也称为锆管。如图2-59所示，锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铂膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触，在氧化锆外表面的铂层上，还覆盖着一层多孔的陶瓷涂层，并加有带槽口的防护套管，用来防止废气对铂电极产生腐蚀，氧传感器的接线端还有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的气孔。

图2-58 多线式氧传感器的结构

1～4—导线

图2-59 浓差型氧化锆式氧传感器的结构

1—锆管 2—电极 3—弹簧 4—电极座（绝缘） 5—导线 6—排气管 7—气孔

图2-60 带加热器的氧传感器

1—氧化锆 2—加热器

氧化锆在温度超过350℃后，才能进行正常工作。早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根导线与ECU相连（图2-59）。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器（图2-60），这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机起动后20～30s内迅速将氧传感器加热至工作温度，它有四根接线（图2-61）。氧化锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离，由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO、HC、H₂等较多。这些气体在锆管外表面的铂催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓差加大，两铂极间电压陡增。因此，锆管氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V，如图2-62所示。

要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1～0.8V之间不断变化，变化时的频率10s不能少于8次。

图2-61 氧传感器的电路

1—主继电器 2—氧传感器 3—发动机ECU

图2-62 氧化锆式氧传感器的电压输出特性

2.界限电流型氧化锆式氧传感器的工作原理

界限电流型氧化锆式氧传感器是近年来研究开发的一种新型氧传感器。浓差型氧化锆式氧传感器只能检测理论空燃比，与此相比，界限电流型氧传感器是利用传感器两端加上一定电压时，其电流与排放气体氧浓度成正比这一特征，而连续地检测出稀薄燃烧区的空燃比。当有电压加上，氧气通过固体电解质时，在阴极和钇稳定氧化锆（解决氧化锆老化问题的一种介质材料）的界面上先解离为氧离子，离子在电场作用下到达阳极并重新结合为氧分子，氧由此被从电池的阴极泵到阳极。泵氧过程中，电流通过电池，引起电极极化，单位外电压的增加所产生的泵电流的增加会逐渐减小，最后可能出现电流在一定的电压范围内不变或变化很小的现象，这个电流称为界限电流。为了获得与环境气氛中氧气浓度有关且比较稳定的界限电流，在氧化锆电池的阴极表面上加上一个扩散障，限制氧气向铂电极的输出，以此作为泵电池的主导控制步骤，由此产生的界限电流与环境气氛分压有稳定的线性关系，用这种方法构成的氧传感器就是“界限电流型氧传感器”。界限型与浓差型氧传感器结构相似，这种氧传感器的电流被镀在锆管外部的涂层所限制，管子外部暴露在汽车尾气中，直接和尾气接触，而内电极则和空气接触。

3.氧化钛式氧传感器的工作原理

氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称为电阻型氧传感器。如图2-63所示，氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件，纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减小，其输出特性如图2-64所示。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化。因此，在氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。(www.daowen.com)

图2-63 氧化钛式氧传感器

1—保护套管 2—插接器 3—二氧化钛厚膜元件

图2-64 氧化钛式氧传感器的输出特性

表2-8列出了三种氧传感器的性能特点。

表2-8 三种氧传感器的性能特点

4.宽量程氧传感器

传统的氧化锆式氧传感器是在陶瓷体两侧附着二氧化锆涂层，一端开口，一端封闭。传感器的陶瓷材料在350℃或更高的温度下能传导氧离子，传感器两侧氧气的浓度差使两个表面之间产生电位差，这个电位差可作为传感器两侧氧浓度变化的指标。传统氧传感器检测点为过量空气系数等于1，电压约为0.45V。在混合气过量空气系数值较浓时产生了一个跳跃，该工作曲线非常陡峭，发动机ECU就是依靠判断该值来分析空燃比的状态。传统氧传感器控制点单一，控制精度差。而宽量程氧传感器就克服了这方面的缺点。

宽量程氧传感器是在传统的氧传感器的基础上增加了第二个气室即泵电池发展而来，该氧传感器的结构如图2-65所示，废气通过泵电池的小槽进入到测量室的检测腔。这种结构要求检测腔中的混合气始终保持在理论空燃比。

如图2-66所示，泵入混合气过浓时，氧传感器的电压值超过450mV，单元泵以原来的工作电流工作，测试室的氧量少，控制单元将增大单元泵的工作电流，使单元泵旋转速度增加，增加泵氧速度。随单元泵泵入测试室中的氧量增加，氧传感器的电压值恢复到450mV。

图2-65 宽量程氧传感器的结构

1—单元泵 2—能斯托单元 3—氧传感器加热器 4—外界空气通道 5—测量室 6—放氧通道

图2-66 宽量程氧传感器的工作原理

1—空气 2—传感器电压表 3—控制单元 4—测量片 5—尾气 6—单元泵 7—单元泵电流表 8—测量室 9—扩散通道

混合气过稀时，泵在原来的转速下会泵入较多的氧，测试室中氧的含量较多，氧传感器电压值下降。为能使氧传感器电压尽快恢复到450mV，控制单元减小单元泵的工作电流，使泵入测试室的氧量减少。

这样通过控制单元泵电流就可以控制检测腔中的混合气，使混合气的浓度达到理想的空燃比。由于泵电流和氧气的浓度成一定的比例关系，所以通过检测泵电流就可以知道混合气的稀或浓。

宽量程氧传感器的检测不同于传统氧传感器，该传感器在一个值域内进行控制，控制精度高，检测泵电流时基本成一条直线。在宽量程氧传感器中，加入了专门控制电路来获得泵电流，单元泵的工作电流传递给控制单元，控制单元将其折算成氧传感器电压值信号，以单元泵电流作为检测混合气过量空气系数的参数，其工作曲线比较平滑，能够连续检测过量空气系数在0.7～1.4的范围内的任意一个值，发动机的控制不再是只对一个单独的点而是能对一个值域进行控制。